INTERCAMBIADORES DE CALOR
En
los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe
ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los
intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha
tarea. Entre las principales razones por las que se utilizan los
intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:
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Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
•
Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
•
Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor
temperatura.
•
Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.
•
Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido
gaseoso con mayor temperatura.
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| Figura 1: Ejemplo de un intercambiador de tubo y coraza. |
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN
Intercambiador de Carcaza y tubo
La
construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo
tubo y carcaza que se muestra en la figura 2. En sistemas donde los dos fluidos
presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión
se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión
más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en
materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para
soportar presiones 3 veces más altas que la cáscara del intercambiador con un costo mucho
más bajo.
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| Figura 2: Intercambiador de tubo y coraza |
Intercambiador de Placas
El
intercambiador de calor de tipo placa, como se muestra en la figura 3, consiste
de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los
líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los
bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las
placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área
extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos. Por
lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con
respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con volumen semejante. El
intercambiador de calor de placa, debido a la alta eficacia en la transferencia
de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma
capacidad de intercambio de calor.
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| Figura 3: Intercambiador de calor de placas |
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU OPERACIÓN
Una
de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa
que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo
paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
Flujo
paralelo.
Como
se ilustra en la figura 4, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de
los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma
dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo
extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el
calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura, las temperaturas de los fluidos se aproximan la una a la otra, es
decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de
alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con
menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
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| Figura 4: Intercambiador de calor de flujo paralelo. |
Contraflujo
Como
se ilustra en la figura 5, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos
fluyen en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos
entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor
temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde
entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se
aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador
resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados. En
contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador
de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la
más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia
de calor en el intercambiador.
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| Figura 5: Intercambiador de calor de contraflujo. |
Flujo
cruzado
En
la figura 6, se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de
los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los
fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos
tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo cruzado son
comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto
se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico. Un
ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de
condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra
como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por
los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida.
Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de
intercambiador de calor. En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores
de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado;
estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador.
La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la
eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que
son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y
presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del
intercambiador.
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| Figura 6: Intercambiador de calor de flujo cruzado |
INTERCAMBIADORES DE UN SOLO PASO (O PASO SIMPLE) Y DE MÚLTIPLES
PASOS.
Un
método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite
mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos
fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los
fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador
de múltiples pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se
denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura 7 se muestra un ejemplo de estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador
de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar
dobleces en forma de "U“ en los extremos, es decir, el doblez en forma de
"U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de
transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo
múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.
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| Figura 7: Intercambiador de calor de un solo paso e intercambidor de calor de múltiples pasos |
INTERCAMBIADORES REGENERATIVOS Y NO-REGENERATIVOS
Los intercambiadores de calor también pueden
ser clasificados por su función en un sistema particular. Una clasificación
común es; Un INTERCAMBIADOR REGENERATIVO es aquel donde se utiliza el mismo
fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en lo
figura 8. Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un
regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores
regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas
donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y
éste es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido
del proceso principal contiene energía (energía interna, mal llamado calor), el
calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el
fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo
que mejora la eficacia del intercambiador.
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| Figura 8: Intercambiador de calor regenerativo y no regenerativo. |
Bibliografía:
